zastosowanie w medycynie i technice laboratoryjnej.

Marta Kapuścińska
Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
Sem. 01, studia II stopnia
Gdańsk, 29.05.2013
Techniki niskotemperaturowe
w medycynie
Temat: Termoelektryczne urządzenia chłodnicze –
zastosowanie w medycynie i technice laboratoryjnej
Prowadzący:
dr inż. Waldemar Targański
Spis treści
1. Chłodzenie termoelektryczne
2. Krioekstraktor termoelektryczny
3. Urządzenia do zamrażania tkanek
4. Urządzenie Kryotur
5. Termoelektryczny hełm chłodzący
6. System OCCS selektywnego chłodzenia mózgu dziecka
7. Przenośny termostat
8. Chłodziarki stacjonarne
9. Osmometr
10.
Bibliografia
1. Chłodzenie termoelektryczne
Termoelektryczność znana także pod pojęciem efektu Peltiera, działa w ten sposób,
że dzięki prądowi elektrycznemu wytwarza się różnica temperatur i odwołuje się do
doświadczeń Jean Peltiera z XIX wieku. Zjawisko to dokładnie polega na tym, że przy
przepływie prądu stałego przez termoelement, na spoinach termoelementu wydziela się lub
zostaje pochłonięta pewna ilość ciepła. Gdy użyjemy kilka materiałów o różnej
przewodności elektronowej i dziurowej (typu „p” oraz typu „n”)na jednej spoinie następuje
obniżenie temperatury, a podwyższenie na drugiej. W obecnie budowanych urządzeniach
różnica temperatur stron ciepłej i zimnej dochodzi do 80 °C. Jeśli kierunek przepływu
ulegnie zmianie to zjawisko się odwróci. Ogniwo Peltiera, ze względu na łatwą produkcję
oraz trwałość znajduje szerokie zastosowanie jako pompa cieplna.
Zalety modułów Peltiera:
- zwarta i prosta konstrukcja
- małe rozmiary
- trwałość parametrów
- nieskomplikowana produkcja
- brak części ruchomych
Zalety przysłużyły się do zastosowania ich w:
- chłodzeniu czujników podczerwieni, laserów półprzewodnikowych
- chłodzeniu elementów elektronicznych
- przenośnych chłodziarkach
- urządzeniach laboratoryjnych
Rys 1. Schemat działania ogniwa.
3
2. Krioekstraktor termoelektryczny
Jednym z podstawowych narzędzi kriochirurgicznych służących do zamrażania i usuwania
tkanek organizmu jest krioekstraktor. Poniżej umieszczono schemat krioekstraktora
termoelektrycznego, używanego do usuwania zmętniałych fragmentów soczewki oka (np. podczas
zaćmy).
Zasada działania krioekstraktora: końcówka (1) przymarza do soczewki dzięki chłodzeniu
termoelementem (3). Po czasie kilku minut, końcówka w trybie roboczym osiąga temperaturę od
-25 do -30°C. Wykorzystując duże natężenie prądu zasilającego uzyskać można wysoką wydajność
spowodowane jest to dużymi zyskami ciepła oraz ograniczonymi rozmiarami końcówki.
Odmrażanie końcówki zachodzi poprzez zmianę kierunku przepływu prądu lub na skutek działania
krótkotrwałego przepływu prądu zmiennego przez termoelement.
Dane :
Natęzenie prądu zasilającego 10 A
Napięcie 1,7 V
Rys 2. Krioekstraktor
4
3. Urządzenia do zamrażania tkanek
Urządzenia te służą do miejscowego zamrożenia żywej tkanki w temperaturze do
ok.-20°C. Zamrożenie następuje przez kontakt tkanki z chłodzoną końcówką roboczą.
Natężenie prądu zasilającego w takim mechanizmie wynosi 1,5 A, przy napięciu 230 V.
Aparaturą taką można usuwać także chorą tkankę i tu czynnikiem roboczym głównie jest
ciekły azot o temperaturze -196°C.
Poprzez działanie na tkankę niską temperaturą uzyskuje się:
• Zahamowanie procesu zapalnego,
• Spadek napięcia mięśniowego,
• Poprawę czynności chorych stawów,
• Poprawę drenażu krwionośnego i limfatycznego.
Zalety urządzeń:
• Uniwersalne - możliwość stosowania krioaplikatorów o dowolnych kształtach we
wszystkich specjalnościach chirurgicznych,
• Efektywne - pełne zniszczenie zadanej objętości tkanki,
• Ekonomiczne - niski koszt urządzenia, bardzo niski koszt eksploatacji.
Zalety kriochirurgii:
• Kriochirurgia umożliwia pełne zniszczenie uprzednio wyznaczonej objętości
tkanki.
• Oddziaływanie kriochirurgiczne w większości przypadków jest bezbolesne i nie
wymaga wstępnego znieczulenia.
• Ognisko martwicy powstałej po zamrażaniu wywołuje minimalną reakcję
wokółogniskową.
• Zamrażanie "blokuje" drobne naczyne siia tętnicze i żylne, co umożliwia
przeprowadzenie zabiegu praktycznie bez krwawień.
• Ogniska kriodestrukcji szybko się goją, osiągany jest dobry efekt kosmetyczny.
• Możliwe jest zamrażanie wznów po radioterapii, chirurgii i krioterapii.
• Ze względu na mało obciążający charakter zabiegu, większość przypadków może
być wykonana ambulatoryjnie, co jest nie bez znaczenia dla osób starszych.
Rys 3. Urządzenie do zamrażania tkanek Kriopol K-11.
5
4. Urządzenie Kryotur
Kryotur 600 jako aparat stołowy zasilany sieciowo działa w ten sposób, że zimno jest
wytwarzane przy pomocy elementów Peltiera i doprowadzane do pacjenta przez wymienne
aplikatory. Indywidualnie wedle potrzeb można ustawiać za pomocą przycisków: tryb pracy,
temperaturę terapii, czas terapii, cykle, co jest pokazywane na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu.
Takiego typu nowoczesne urządzenia mają zastosowanie zarówno w miejscowej,
kontaktowej kriostymulacji, jak i w kriochirurgii.
Kryotur 600 ma w wyposażeniu podstawowym dwa rodzaje aplikatorów. Stosując aplikator
plastyczny w formie mankietu o nerkowatym kształcie możemy uzyskać temperaturę chłodzenia do
+12°C. Natomiast aplikator twardy w kształcie walcowatej głowicy z nasadką mrożącą uzyskuje
temperaturę do -10°C.
Zalety:
• Głębokie chłodzenie tkanek,
• Łatwość obsługi,
• Tania eksploatacja,
• Urządzenie posiada niewielkie gabaryty i mała wagę,
• Nie występuje szok termiczny,
• Urządzenie nie wymaga oddzielnego pomieszczenia z przystosowaną specjalnie wentylacją,
• Tania eksploatacja (wykorzystanie elementów Peltiera, gdzie chłodziwem jest roztwór
wodny Aqua Conservata pracujący w obwodzie zamkniętym).
Dodatkowo posiada możliwość pracy w trzech trybach:
• praca ciągła – urządzenie utrzymuje stałą temperaturę chłodzenia w określonym przez
obsługę czasie,
• praca przerywana – określona temperatura i czas chłodzenia oraz określona temperatura
i czas przerw,
• praca naprzemienna – określona temperatura i czas chłodzenia i powrotu do temperatury
wyjściowej.
Rys 4. Kryotur 600
6
Najczęstsze wskazania do stosowania kriostymulacji miejscowej:
1.Choroby narządu ruchu:
• Stłuczenia, krwiaki i urazy tkanek miękkich,
• Obrzęki po złamaniach i zwichnięciach (okres wczesny),
• Ostre zapalenie ścięgien, torebek stawowych i mięśni,
• Przykurcze stawowe pourazowe,
• Stany po amputacji urazowej kończyn.
2. Choroby reumatyczne:
• Ostry okres reumatoidalnego zapalenia stawów,
• Ostre stany bólowe w chorobie zwyrodnieniowej stawów.
3.Choroby układu nerwowego:
• Bóle głowy pochodzenia naczyniowego,
• Ostry okres zapalenia splotów i nerwów obwodowych,
• Ostry zespół rwy kulszowej.
5. Termoelektryczny hełm chłodzący
Jest to urządzenie, które wykorzystanie swoje znajduje w obniżeniu temperatury
tkanki mózgowej i zahamowania jej obumierania, na skutek niedotlenienia wywołanego
ciężkimi urazami głowy. Hełm posiada elastyczną membranę ściśle przylegającą do głowy
chorego. Przestrzeń zawartą między membraną i skórą głowy chłodzą moduły Peltiera.
Temperatura tego urządzenia może być regulowana w zakresie od – 20°C do + 50°C.
Ogólnie rzecz biorąc przypomina kask motocyklowy, którego wewnętrzna część
wyścielona jest 120 sztukami sztukami jednakowych pod względem termicznym
i elektrycznym termoelementów pobierających prąd o napięciu 0,1 V. Odbiór ciepła ze
stron gorących zapewniony jest przez wodę przepompowywaną przez kanały umieszczone
wewnątrz. Ogrzana w kanałach woda pompowana jest do urządzenia chłodzącego,
następnie powtórnie zużywana jest do odbioru ciepła po stronie gorącej. Sterowanie
temperaturą urządzenia może odbywać się w zakresie od -5 °C do +46 °C z dokładnością
do 0,5 °C poprzez 8 bitowy mikrokontroler PIC. Jednostka zasilająca termoelektrycznego
hełmu dostarcza prąd stały o napięciu 12V i natężeniu 40 A potrzebnego do zapewnienia
prawidłowego działania wszystkich termoelementów.
7
Rys 5. Hełm chłodzący termoelektrycznie
6. System OCCS selektywnego chlodzenia mozgu noworodka
Zjawisko niedotlenienia okołoporodowego – zamartwicy, które związane jest np.
z zaburzeniami wymiany gazowej pomiędzy matką, a dzieckiem; wadą wrodzoną, nieprawidłowym
ułożeniem płodu, czy zaburzeniami adaptacyjnymi noworodka zwykle dotyka płód w trakcie ciąży,
porodu, lub już po nim. Zapoczątkowana zostaje wówczas kaskada ekscytotoksyczna, która
prowadzi do śmierci komórek nerwowych. Leczenie w takim przypadku może być dwojakie.
Pierwszą metoda jest selektywna, wybiórczo jest chłodzony mózg, druga- wprowadza dziecko
w hipotermie ogólną, czyli całe ciało doprowadzane jest do danego zakresu temperatur rdzenia.
System OCCS jest systemem selektywnego chłodzenia mózgu noworodka dopuszczonym
do stosowania na oddziałach intensywnej opieki na terenie USA. System opatentowany został
6 grudnia 2001 roku w Stanach Zjednoczonych Ameryki (US Patent nr 6312453).
Jednym z systemów chłodzenia mózgu przy niedotlenieniu okołoporodowym jest system
Olympic Cool Cap. Złożony jest z 3 głównych elementów:
• warstwa chłodząca – kanał o półokrągłym przekroju, którego przebieg i system zapięć,
zakładek zaprojektowano tak, aby zapewnić jak najlepsze przyleganie płaskiej części
chłodzącej do głowy noworodka. Zaprojektowane specjalne ułożenie wlotu i wylotu
uniemożliwia zagięcie rurek dolotowych i wylotowych przez ułożone na nich dziecko, jak
również zapewnia komfort pacjentowi. Chłodzenie nie obejmuje czoła, gdyż nagłe
oziębienie twarzy z czołem włącznie może doprowadzić do zaburzeń rytmu serca, czy
oddechu.
8
Warstwa ta zrobiona została z poliuretanu. Tworzywo to nie szkodzi i można go
stosować przy bezpośrednim kontakcie ze skórą.( 2a );
• część utrzymująca – odbieranie i odprowadzanie wilgoci, ochrona uszu i czoła
dziecka przed zbytnim przechłodzeniem(2b );
• czapka izolacyjna – izolacja warstwy chłodzącej od otoczenia, która wykonana
jest z wełny poliestrowej pokrytej na zewnętrznej powierzchni warstwą metalu
odbijającego promieniowanie podczerwone (2c ).
Chłodzenie zapewnione jest dzięki dwóm ogniwom Peltiera, które są zamocowane do
aluminiowego wymiennika ciepła, przez który to przepływa chłodzona woda.
System Olympic Cool Cap zapewnia uzyskanie temperatur z zakresu hipotermii
umiarkowanej w istocie szarej mózgu dziecka. Chłodzenie mózgu tą metodą odbywa się za
pomocą czapki chłodzącej, w której przepływa płyn chłodzący - sterylna woda
o temperaturze ok. 10°C. Urządzenie przystpspwane jest do użycia z konwencjonalnym
promiennikiem podczerwieni służącym do ogrzewania noworodków.
Rys 6. System OCCS.
9
Rys 7. Chłodząca czapka systemu OCCS.
7. Przenośny termostat
W czasach bardzo rozwiniętej transplantologii pojawiła się potrzeba przewozu narządów,
tkanek i komórek ludzkich oraz specjalistycznych leków. W tym celu stosuje się pojemniki
termoelektryczne, które utrzymują temperaturę w zakresie 0 - 4°C w przypadku narządów i 2 - 8°C
w przypadku leków. Obecnie na rynku jest duży wybór chłodziarek przenośnych. Zazwyczaj różnią
się one od siebie pojemnością przegród oraz zakresem utrzymywanych temperatur.
Rys 8. Chłodziarka przenośna Waeco TropiCool.
10
8. Chłodziarki stacjonarne
Zjawisko termoelektryczności wykorzystuje się też do chłodzenia. Lodówki takie
muszą znajdować się w dziale farmacji szpitalnej, gdzie zamawia się towar i przechowuje
się leki w odpowiedniej temperaturze, tj. od +2° do +8°C. Również na terenie bloku
operacyjnego tego typu wyposażenie musi się znajdować, na oddziale zabiegowym oraz
w przychodniach. Chłodziarki stacjonarne są również stosowane w technice laboratoryjnej.
Wyróżniamy chłodziarki: pionowe tzw. szafowe oraz poziome tzw. skrzyniowe.
Izolację zapewnia pianka poliuretanowa, a wewnątrz wyposażone są w stelaże do
przechowywania pudełek na probówki. Do dodatkowego wyposażenia należą: system
zasilania awaryjnego , alarmowy system powiadamiania telefonicznego, system kontroli
dostępu za pomocą kart magnetycznych, system rejestracji zdarzeń.
Rys 9. Zamrażarka niskotemperaturowa -85°C seria UPUL .
11
9. Osmometr
Osmometr - przyrząd do badania osmolarności biologicznych roztworów. Oznaczenie
odbywa się poprzez pomiar temperatury zamarzania badanej próbki. Sterowany jest za pomocą
mikroprocesorów i wysoce stabilnych podzespołów elektronicznych. Urządzenie to odznacza się
duża niezawodnością. Do tego jest prosty w obsłudze.
Zasada działania: porcję płynu (0,3 – 2g) umieszcza się za pomocą pipety
w probówce następnie zanurza się w wannie z cieczą (90% wodny roztwór glikolu etylenowego).
Wannę schładza się dzięki dwustopniowemu kaskadowemu urządzeniu chłodniczemu,
zawierającym 160 termoelementów. Zainicjowana zostaje krystalizacja przy ściśle określonej
temperaturze przechłodzenia. Efektem tego zjawiska jest wydzielanie się ciepła krystalizacji, gdzie
temperatura mieszaniny lodu i cieczy wzrasta do wartości maksymalnej zależnej od osmolarności
próbki. Za pomocą termistora mierzone jest ta wartość maksymalna.
Zastosowania osmometru w medycynie:
• Diagnostyka chorób nerek,
• Badanie jakości roztworów dializujących oraz płynów stosowanych pooperacyjnie,
• Leczenie zatruć,
• Leczenie cukrzycy,
• Monitorowanie pacjentów przy dializach i zabiegach chirurgicznych nerek,
• Pooperacyjne, w terapii insulinowej,
• W kardiochirurgii,
• W schorzeniach metabolicznych.
Rys 10. Osmometr 800CLG.
12
Bibliografia
1. www.hasmed.pl/nowa/index.phpoption=com_content&task=view&id=364&Itemid
=87
2. www.fascynacja-przyszloscia.pl/?pl/dokumenty/chlodzenie_termoelektryczne
3. www.elektroda.pl/rtvforum/topic1506793.html
4. www.kriomedpol.nazwa.pl/joomla_1.5/index.php\option=com_content&view=artic
le&id=18&Itemid=22
5. Kusza.K.: Hipotermia i jej wpływ na ośrodkowy układ nerwowy po niedotlenieniu
"Materiały edukacyjne dla zdających Państwowy Egzamin Specjalizacyjny z
Anestecjologii i Intenywnej Terapii", Katedra i Klinika Anestezjologii i Intensywnej
Terapii C.M. UMK Bydgoszcz – Toruń.
6. Pathak.K, Yu.N, Shoffstall.A, Zheng.L.: Modeling Heat-Transfer of the Olympic
Cool-Cap System. 2008 Student Papers, Bee 453 23.06.2008
7. Sikiera D., Termoelektryczne urządzenia chłodnicze – zastosowanie w medycynie i
technikach laboratoryjnych, Gdańsk, 2011
8. United States Patent nr 6312453.: Device for cooling infant's brain. Data patentu
6.11.2001.
9. Zmuda E:. Projekt koncepcyjny systemu chłodzenia niedotlenionego mózgu
noworodka dla jego utrzymania w warunkach umiarkowanej hipotermii.
13